Кузнецова А.А., к.х.н., доцент кафедры ООД ЗВФ 2007 год 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. История развития электрохимии Электролиты, свойства электролитов Электролиз расплавов солей Ряд напряжений металлов Катодные процессы Анодные процессы Электролиз водных растворов солей Законы электролиза М.Фарадея Применение электролиза 2 Майкл Фарадей английский физик и химик, член Лондонского королевского общества 3 Открыл законы электролиза Изучил химическое действие электрического тока Ввел в науку основные термины электрохимии: электролит, электрод, электролиз, анод, катод, катион, анион Установил количественные соотношения при электролизе (1827) 4 5 Электропроводность – способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Электропроводность электролитов обусловлена существованием в растворе ионов. Ионы образуются в результате электролитической диссоциации. Растворы кислот Раствор сахара Вода 6 Хлорид натрия Сульфат меди(II) Нитрат кальция Карбонат натрия 7 Получение щелочных, щелочно-земельных металлов из солей. KBr Анод: Катод: KBr – электролит ! K+ + Br- 0 - Br2 2 Br - 2e + - K +e электрический ток 2 KBr 0 K 2 K + Br2 На катоде всегда идут процессы восстановления 8 Превращение электрической энергии в химическую 9 Проведенный опыт подтверждает, что при электролизе протекают реакции окисления и восстановления: На аноде: На катоде: - - 2 Cl - 2e 2+ окисление - восстановление Cu + 2e Cl2 0 Cu0 10 Электролиз – совокупность окислительновосстановительных процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему Электрохимическая система состоит из двух электродов и расплава электролита (или двух электродов и раствора электролита. 11 Характер катодных процессов при электролизе водных растворов солей определяется положением металла в ряду напряжений Электродный потенциал увеличивается Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, | Be, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, |H2| Sb, Cu, Hg, Ag, Pt, Au Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, | Be, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb,|H2| |H2|Sb, Cu, Hg, Ag, Pt, Au 12 Если в растворе будет несколько катионов, то на катоде в первую очередь будут восстанавливаются катионы, имеющие наибольшее значение электродного потенциала. В водных растворах солей некоторых металлов может восстанавливаться водород из воды Восстановление металла и водорода являются зачастую конкурирующими процессами 13 Ионы металлов, стоящих в ряду напряжений до Al (включительно), не восстанавливаются. Идет восстановление воды: 2 Н2О + 2 е- → 2 ОН- + Н2 Ионы металлов, находящихся в ряду напряжений от Аl до Н2О, восстанавливаются вместе с Н2О Ионы металлов, стоящих в ряду напряжений после водорода, - восстанавливаются 14 Анионы бескислородных кислот (кроме F- ) окисляются Анионы кислородсодержащих кислот и F- фтор не окисляются. Идет окисление воды: 2 Н2О - 4 е- → 4 Н+ + О2 При окислении анионов органических кислот происходит выделение углекислого газа 15 Различают электролиз с инертным (нерастворимым) анодом и электролиз с активным (растворимым) анодом. Инертный анод может быть изготовлен из графита, угля, платины. Он не претерпевает окисления в ходе электролиза. На аноде могут образовываться следующие продукты: кислород, хлор, бром, йод, углекислый газ. Активный или растворимый анод изготовлен из материала, который при электролизе может окисляться по схеме: Ме0 – nē = Mе+n. Материал активного анода: медь, серебро, цинк, кадмий, никель и другие металлы. 16 В случае использования медного анода хлор на аноде выделяться не будет. (А): Катионы меди переходят в раствор с медного анода: 0 +2 Cu – 2ē = Cu . (К): На катоде выделяется медь высокой чистоты: Cu+2 + 2ē = Cu0. Концентрация ионов меди в растворе не изменяется. Количество хлорида меди в растворе остается неизменным. 17 Количество вещества, испытавшего электрохимические превращения на электроде, прямо пропорционально силе тока и времени, то-есть, количеству прошедшего электричества. При превращении одного моля эквивалентов вещества на электроде через него должно пройти 96500 Кл электричества. Эта величина называется постоянной Фарадея: 1F= 96500 Кл/моль. 18 Массы прореагировавших на электродах веществ при постоянном количестве электричества относятся друг к другу как молярные массы их эквивалентов. Или: масса выделившихся на электродах веществ прямо пропорциональна их химическим эквивалентам 19 Первый и второй законы электролиза описываются объединенным уравнением: M экв. Q m , где Q I t F m - масса вещества, выделившегося на электроде (г), M - молярная масса эквивалентов вещества, выделившегося на электроде (г/моль); Q - количество электричества, прошедшее через электролит, Кл); I - сила тока (А); t - время электролиза (с). 20 Если на электродах выделяются газы, пользуются формулой: , где Vгаза – объем газа, выделившегося на электроде, л; Vэкв.газа– объем 1 моль эквивалентов газа, выделившего на электроде , л. 21 Выход по току – выраженное в процентах отношение массы вещества, фактически выделившегося на электроде, к теоретически вычисленному ее значению. , где - выход по току; - масса вещества, выделившегося при электролизе; - теоретически вычисленная масса вещества. M экв. Q m , где Q I t F 22 Электролизом растворов солей в металлургии получают медь, цинк, кобальт и другие тяжелые металлы. Широко применение электролизных процессов в химической промышленности. Нанесение гальванических покрытий (например, никелирование, меднение, хромирование) проводится в электролизерах, которые в этом случае называются гальваническими ваннами. 23 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ! 24